Techniken und Lösungen für die USB-Stromversorgungs- und USB-Datenisolierung

Der 1996 eingeführte universelle serielle Bus (USB, Universal Serial Bus) hat sich zur führenden Methode für den Anschluss von Peripheriegeräten an PCs entwickelt. Da die USB-Datenraten in den letzten 24 Jahren von 1,5 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) auf über 20 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) gestiegen sind, haben vor allem die Hersteller von Test- und Messgeräten davon Notiz genommen und sind mit USB-basierten Testgeräten auf den Markt gegangen. Auch Bastler haben sich die Allgegenwärtigkeit von USB zunutze gemacht und viele eigene, einzigartige Messwerkzeuge entwickelt.

Es lauert jedoch eine potenzielle Gefahr, wenn Sie USB-basierte Geräte verwenden oder entwerfen, die an den USB-Anschluss eines PCs angeschlossen sind. Während ein zu prüfendes Gerät (DUT) von einer erdfreien Stromversorgung versorgt werden kann, können Erdschleifen auftreten, sobald es an einen geerdeten PC angeschlossen ist. Infolgedessen können starke Erdpotentialdifferenzen entstehen, die zu Schäden an Schaltkreisen oder schlimmer noch zu Personenschäden führen können.

Um Masseschleifen zu vermeiden, müssen sowohl der Strom- als auch der Datenkommunikationspfad galvanisch von der USB-Masse des PCs getrennt werden. Je nach Datenrate und Protokoll gibt es mehrere Möglichkeiten, die Datenkommunikation zu isolieren. Darüber hinaus können mehrere Isolationsstrategien eingesetzt werden, darunter kapazitive, optische und elektromagnetische.

In diesem Artikel wird die galvanische Trennung definiert, bevor viele der verschiedenen USB-Isolationstechnologien und die Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien beschrieben werden. Anschließend werden reale Isolationslösungen von Texas Instruments, Würth Elektronik, ON Semiconductor und Analog Devices vorgestellt und gezeigt, wie man sie effektiv einsetzt.

Was ist eine galvanische Trennung?

Im Kern verhindert die galvanische Trennung den Stromfluss oder die Stromleitung zwischen zwei oder mehreren getrennten Stromkreisen, während Energie und/oder Informationen weiterhin zwischen ihnen übertragen werden können.

Zur Vereinfachung werden in diesem Artikel zwei getrennte Stromkreise betrachtet, die als Primärseite und Sekundärseite bezeichnet werden. Der Primärkreis wird über USB mit Strom versorgt und teilt sich den bidirektionalen Datenfluss mit einem Host-PC. Der Bereich, der die Stromkreise trennt, wird als Isolationsbarriere bezeichnet und ist so gewählt, dass er Durchschlagsspannungen von Hunderten bis Tausenden von Volt standhält. Typischerweise trennt Luft, Siliziumdioxid (SiO₂), Polyimid oder ein anderes nicht leitendes Material die beiden Schaltkreise (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dargestellt ist ein Beispiel für die galvanische Trennung zwischen dem USB-Eingang auf der Primärseite der Schaltung und der Sekundärseite. Die Isolationsbarriere muss Spannungen von Hunderten bis Tausenden von Volt standhalten. (Bildquelle: DigiKey)

Isolierte Datenübertragung

Wie oben definiert, ermöglicht die galvanische Trennung die Daten- oder Informationsübertragung zwischen den getrennten Stromkreisen. Aber wie kann dies ohne eine Art von leitendem Material zwischen den Schaltkreisen erreicht werden? Es gibt mehrere praktische Lösungen für dieses Problem, darunter optische, kapazitive und elektromagnetische Technologien. Jeder dieser Ansätze hat Vor- und Nachteile, die im Folgenden erläutert werden. Für den Entwickler spielen bei der Entscheidung über die zu verwendende Strategie die Datenraten, die elektrostatische Entladung (ESD), Interferenzen und die Leistungsanforderungen eine Rolle.

Optisch: Einer der bekanntesten Ansätze zur Isolierung ist der optische Isolator oder Optoisolator (oder Optokoppler). Die Isolation wird durch den Einsatz einer Leuchtdiode (LED) auf der Primärseite der Isolationsbarriere und eines lichtempfindlichen Transistors auf der Sekundärseite erreicht. Der FOD817 von ON Semiconductor ist ein gutes Beispiel für einen Optokoppler (Abbildung 2). Die Datenübertragung erfolgt, indem die LED Lichtimpulse über die Isolationsbarriere sendet. Die Lichtimpulse werden auf der anderen Seite von einem Fototransistor in einer Open-Collector-Konfiguration empfangen. Wenn die LED leuchtet, erzeugt die Fotodiode also einen Stromfluss im Sekundärkreis.

Da zur Datenübertragung Licht verwendet wird, ist der Optoisolator unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI). Auf der negativen Seite können die Datenübertragungsraten langsam sein, da die Datenrate eine Funktion der Schaltgeschwindigkeit der LED ist. Außerdem haben Optokoppler im Vergleich zu anderen Technologien tendenziell eine kürzere Lebensdauer, da sich die LED mit der Zeit abnutzt.

Abbildung 2: Optokoppler - die LED sendet Lichtimpulse durch die Isolationsbarriere. Die Lichtimpulse werden von der Fotodiode empfangen und erzeugen einen Stromfluss im Sekundärkreis. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Der FOD817 ist eine einkanalige Komponente, die für eine Wechselspannung von bis zu 5 kV(eff) für eine Minute ausgelegt ist. Sie besteht aus einer Galliumarsenid(GaAs)-Infrarot(IR)-LED, die einen Silizium-Fototransistor ansteuert. Die Anwendungen können Leistungsregler und digitale Logikeingänge umfassen.

Elektromagnetische Isolierung: Dies ist vielleicht der älteste technologische Ansatz zur Stromkreistrennung. Die Grundlagen der elektromagnetischen Induktion werden genutzt, um Daten (und Energie, wie später besprochen) zwischen zwei Spulen zu übertragen. Dieser Ansatz wurde im Laufe der Zeit von Unternehmen wie Analog Devices mit seiner iCoupler-Technologie deutlich verbessert. Die iCoupler-Technologie bettet die Übertragerspulen in einen integrierten Schaltkreis ein und verwendet ein Polyimid-Substrat für die Isolationsbarriere.

Elektromagnetische Isolationsansätze sind anfälliger für Magnetfeldstörungen als Optoisolatoren, und sie erzeugen ihre eigenen potenziellen EMI, die möglicherweise in der Produktdesignphase berücksichtigt werden müssen. Die Vorteile sind jedoch höhere Datenraten von 100 Mbit/s oder mehr und eine geringe Leistungsaufnahme.

Der ADuM1250 von Analog Devices ist ein Beispiel für diese Art von Technologie (Abbildung 3). Der Baustein zielt auf bidirektionale I²C-Datenisolationsanwendungen wie Hot-Swap-Applikationen ab. Er bietet eine Datenrate von bis zu 1 Mbit/s und ist für 2500 V(eff) für eine Minute gemäß UL 1577 ausgelegt. Er nimmt 2,8 Milliampere (mA) Eingangsstrom (IDD1) auf der Primärseite und 2,7 mA Strom auf der Sekundärseite (IDD2) bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt (VDD1 und VDD2) auf. Beachten Sie, dass jeder I²C-Kanal (Takt- und Datenleitungen) im ADuM1250 zwei eingebettete Übertrager benötigt, um Bidirektionalität zu erreichen.

Typischerweise werden die Daten zwischen den Wandlerspulen nach einem Flankenübergangsschema übertragen. Kurze, eine Nanosekunde dauernde Impulse werden verwendet, um führende und folgende Flanken des Datensignals zu erkennen. Die Kodier- und Dekodierhardware ist ebenfalls in der Komponente eingebaut.

Abbildung 3: Beim Dual-I²C-Isolator ADuM1250 werden für jede I²C-Leitung zwei verschiedene Übertrager benötigt, um eine bidirektionale Daten- und Taktübertragung zu erreichen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Kapazitive Isolierung: Die kapazitive Isolierung wird, wie der Name schon sagt, durch den Einsatz von Kondensatoren erreicht (Abbildung 4). Aufgrund der Eigenschaften der kapazitiven Technik wird die Gleichspannung durch den Kondensator blockiert, während die Wechselspannung frei übertragen werden kann.

Abbildung 4: Die kapazitive Trennung nutzt die kapazitive Eigenschaft, Gleichstromsignale zu blockieren und Wechselstromsignale über die Isolationsbarriere zu übertragen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Durch die Verwendung eines hochfrequenten Trägers (AC) für die Datenübertragung über den Kondensator können Informationen mit einem Modulationsschema wie OOK (On-Off-Keying) übertragen werden. Das Vorhandensein eines hochfrequenten Trägers könnte einen digitalen Ausgangswert von Null (LOW) darstellen, und das Fehlen des Trägers würde eine Eins (HIGH) darstellen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein OOK-Schema (On-Off-Keying) verwendet das Vorhandensein oder Fehlen eines hochfrequenten Trägersignals (AC), das durch die Isolationsbarriere geliefert wird, um ein logisches HIGH- oder LOW-Signal (Logikpegel) zu übertragen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Wie bei der magnetischen Isolation liegen die Vorteile der kapazitiven Isolation in den hohen Datenübertragungsraten (100 Mbit/s oder mehr) und der geringen Leistungsaufnahme. Nachteilig ist die größere Störanfälligkeit für elektrische Felder.

Ein hervorragendes Beispiel für kapazitive Isolationstechnologie ist der digitale Vierkanal-Isolator ISO7742 von Texas Instruments mit einer Isolation von bis zu 5000 V(eff). Die Komponente ist in mehreren Konfigurationen erhältlich, je nach gewünschter Datenflussrichtung. Sie bietet eine Datenrate von 100 Mbit/s und verbraucht 1,5 mA pro Kanal. Zu den Anwendungen für den ISO7742 gehören medizintechnische Geräte, Stromversorgungen und die industrielle Automatisierung.

USB-Leistungstrennung

Bei genauer Betrachtung der Datenblätter von Isolationskomponenten wird dem Entwickler schnell klar, dass jede Seite der Isolationskomponente separate Stromquellen benötigt: eine für die Primärseite und eine für die Sekundärseite (VCC1 und VCC2), jeweils mit dem entsprechenden Massebezug zur Aufrechterhaltung der Isolationsbarriere.

Wenn das betrachtete Design über getrennte Stromquellen verfügt, 5 Volt für USB auf der Primärseite und eine separate Batterie plus Masse zur Versorgung der Sekundärseite, dann ist alles zufriedenstellend. Wenn das Produkt jedoch für eine einzige Quelle, z. B. nur einen 5V-USB-Eingang, ausgelegt ist, wie wird dann die sekundäre Isolationsspannungsversorgung bereitgestellt? Ein DC/DC-Wandler (oder Trafotreiber) und ein Trenntransformator bieten die Lösung. Mit dem DC/DC-Wandler kann die Spannung hoch- oder heruntergewandelt werden, während der Transformator für die galvanische Trennung sorgt.

Ein Beispiel für eine solche isolierte Stromversorgung ist in Abbildung 6 dargestellt, wobei ein Treiber SN6505 von Texas Instruments in Kombination mit einem Isolationstransformator 750315371 von Würth Elektronik verwendet wird (2500 V(eff) Isolation). Die Verwendung des USB-Standards von 5 Volt und 500 mA am Eingang des SN6505 liefert in der Regel mehr als genug Strom, um die sekundärseitigen Isolationsschaltungen für die Datenübertragung sowie möglicherweise andere Schaltungen wie Sensoren zu betreiben. Die beiden Dioden auf der Sekundärkreisseite sorgen für die Gleichrichtung am Ausgang. Viele Designs fügen einen Regler mit niedrigem Spannungseinbruch (LDO) auf der Sekundärseite für eine sauberere Spannungsregelung hinzu.

Abbildung 6: Der Transformatortreiber SN6505 von Texas Instruments in Kombination mit einem Trenntransformator 750315371 von Würth Elektronik bietet einen isolierten Strompfad zur Ansteuerung der sekundärseitigen Schaltung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Ein weiteres Kriterium, das für den Entwickler wichtig werden könnte: der verfügbare Platz auf der Leiterplatte. Die Verwendung separater Komponenten für die Strom- und Datenisolierung kann wertvollen Platz auf einer Platine verbrauchen. Die gute Nachricht ist, dass es Komponenten gibt, die sowohl Leistungs- als auch Datenübertragungsisolierung in einem einzigen Gehäuse vereinen. Ein Beispiel für eine solche Topologie ist der zweikanalige digitale Isolator ADuM5240 von Analog Devices (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der zweikanalige digitale Isolator ADuM5240 von Analog Devices kombiniert sowohl die Leistungs- als auch die Datenisolierung in einem Gerät und spart so Platz. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADuM5240 verwendet eine magnetische Isolierung auf Transformatorbasis für die Strom- und Datenübertragung in einem einzigen Gehäuse, um den Platzbedarf auf der Leiterplatte zu reduzieren. Der ADuM5240 bietet eine Isolation von 2500 V(eff) für 1 Minute gemäß UL 1577 und eine Datenrate von bis zu 1 Mbit/s.

Vorgeschaltete USB-Datenisolation

Alle oben gezeigten Beispiele gehen von einer Isolierung zwischen dem Primär- und Sekundärkreis aus. In Fällen, in denen es bereits ein Peripheriegerät gibt, das ohne Datenisolierungs-Hardware entworfen wurde, können Entwickler die Isolierung an der USB-Schnittstelle (z.B. am Kabel) vornehmen. Dadurch wird die Datenisolierung zwischen dem USB-Host und dem USB-Peripheriegerät effektiv vorverlagert (Abbildung 8).

Abbildung 8: Wenn es bereits ein Peripheriegerät gibt, das ohne Datenisolierungs-Hardware entworfen wurde, können Entwickler dennoch Schutz bieten, indem sie die USB-Datenisolierung zwischen den USB-Host und das USB-Peripheriegerät verschieben. (Bildquelle: DigiKey)

Um diesen Ansatz zu implementieren, können Entwickler den ADuM4160 von Analog Device mit einer Isolation von 5000 V(eff) für 1 Minute verwenden. Diese Lösung verwendet dieselbe iCoupler-Technologie wie oben beschrieben, aber die Isolierung ist auf die USB-Datenschnittstelle (D+ und D-) ausgerichtet (Abbildung 9). Weitere Anwendungen für den ADum4160 sind isolierte USB-Hubs und medizintechnische Geräte.

Abbildung 9: Der ADuM4160 von Analog Devices bietet eine Lösung zur Isolierung der USB-Datenleitungen (D+, D-), die nützlich sein kann, wenn eine Isolierung an der USB-Host-Peripheriekabelverbindung erforderlich ist. (Bildquelle: Analog Devices)

Designüberlegungen zur Isolierung

Wie wählt ein Entwickler die beste Isolationstechnologie aus? Wie bereits erwähnt, spielen bei der Auswahl der richtigen Technologie für die jeweilige Aufgabe mehrere Faktoren eine Rolle. Tabelle 1 zeigt einige dieser Konstruktionskriterien für die verschiedenen Arten von Isolationstechnologien. Wie bei jeder Konstruktion sollte auch hier sorgfältig darauf geachtet werden, die verwendeten Komponenten vollständig zu verstehen. Es gibt keinen Ersatz für die gründliche Durchsicht von Datenblättern und das Prototyping mit ausgewählten Komponenten.

Tabelle 1: Es gibt einige Schlüsselfaktoren, die bei der Auswahl eines Isolationsansatzes zu berücksichtigen sind, aber es ist entscheidend, dass die Entwickler das Datenblatt sorgfältig studieren und einen Prototyp mit den ausgewählten Komponenten erstellen. (Datenquelle: DigiKey)

Zusätzlich zu den in Tabelle 1 definierten Faktoren müssen bei der Entwicklung USB-basierter isolierter Peripheriegeräte weitere Faktoren berücksichtigt werden. So muss z. B. das gesamte Leistungsbudget, das für den Sekundärkreis benötigt wird, berechnet werden. Es muss genügend Leistung von der Primärseite auf den isolierten Sekundärkreis übertragen werden, um nicht nur die Isolationskomponenten, sondern auch alle anderen Komponenten wie Sensoren, LEDs und Logikkomponenten mit der notwendigen Leistung zu versorgen.

Wie bereits erwähnt, muss bei der Verwendung einer elektromagnetischen Isolationslösung die von dem/den Transformator(en) erzeugte potenzielle EMI bei der Emissionsprüfung und/oder der EMI-Auswirkung auf andere Schaltungen berücksichtigt werden.

Fazit

USB wächst weiter in Bezug auf Datenübertragungsraten und Stromversorgungsmöglichkeiten. Bei der Entwicklung von Produkten mit USB-Stromversorgungs- und/oder -Datenschnittstellen ist es jedoch ratsam, die galvanische Trennung von Daten- und Stromkreisen zu beachten.

Um eine galvanische Trennung zu erreichen, können Entwickler zwischen optischen, kapazitiven und elektromagnetischen Ansätzen wählen, nachdem sie mehrere Kriterien berücksichtigt haben, darunter Datenübertragungsraten und EMI sowie Strom- und Platinenplatzbedarf. Unabhängig davon, wofür man sich entscheidet, gibt es viele Lösungen, die den Entwicklern helfen, sowohl die Integrität der Schaltung als auch die Sicherheit des Entwicklers und des Endanwenders zu gewährleisten.